本院分子生物研究所副研究員陳俊安團隊，透過單細胞 RNA 定序技術，完整釐清了小鼠胚胎中脊柱運動神經元的轉錄體多樣性，完成胚胎運動神經元的單細胞圖譜。在此圖譜中，研究團隊純化約 10,000 個運動神經元、進行次世代定序，並深入剖析發育中的個別運動神經元，發現具特殊基因標記的少見細胞類型，能擴展對於運動神經元多樣性的理解。透過單細胞定序，本研究不只探究不同種類的運動神經元，也深入剖析不同類運動神經元之間的的基因表現差異，並檢驗這些基因差異在不同物種間的演化保留程度。

本研究圖譜是神經科學界的寶貴資源，有助於進一步探究某些神經退化性疾病（如脊髓性肌肉萎縮症或肌萎縮側索硬化症），其不同種類運動神經元有不同退化程度的原因。成果已發表在國際期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

過去數十年裡，有許多研究團隊透過對不同的肌肉群進行逆向標記來追蹤其支配的運動神經元，這些科學家們雖已成功地描述了脊髓中運動神經元的多樣性，但其本質主要是根據運動神經元的位置和其支配的肌肉進行分類，對於不同種類的運動神經元在基因表現仍然所知甚少。過去幾年的研究顯示，當控制運動神經元的特殊轉錄因子被剔除後，運動神經元會表現出種類和位置的轉變以及軸突方向的錯亂，這些證據顯示，運動神經元多樣性和功能是由各種內在和外在的分子機制塑造而成。

在陳俊安副研究員領導的這項研究中，他們進一步對脊髓運動神經元的多樣性進行了大規模的單細胞基因表現定序，並系統性的發現了少見的各式亞型：首先他們發現了許多新的運動神經元亞型在胚胎中只能在特定的體節中觀察到，除此之外更進一步將控制四肢的運動神經元（LMC）細分為 26 個集群，並發現過去在運動神經元中不受重視的神經肽不僅在支配上肢與下肢的運動神經元中有獨特的表現模式，更觀察到 26 個細胞集群各自表現獨特的神經肽組合密碼。

一般主要參與神經傳導的神經肽，為什麼在新生的運動神經元中有如此多樣的表現？研究團隊推測，神經肽對於運動神經元的多樣性以及精確的軸突引導、調節脊髓神經迴路的形成或甚至對神經元電生理的差異具有重要的精準調控作用，此發現也為未來神經肽在運動神經元的角色開創了一個新的藍圖。

此外，本研究進一步完整的分析了過往未被重視的軀幹運動神經元多樣性，並揭示了這些運動神經元可以進一步細分為三個不同的亞型，每個亞型都表現獨特的轉錄因子，並向不同的神經分支延伸軸突以支配不同的肌群。軀幹運動神經元的功能通常是控制核心肌群的收縮，但受這些運動神經元支配的核心肌群卻在水生和陸生脊椎動物物種之間參與截然不同的運動行為。在水生和陸生脊椎動物物種之間，如何在其演化的過程衍伸出新的軀幹運動神經元多樣性來配合運動行為的差異，是研究團隊未來研究的方向之一。

研究團隊表示，本成果提供了一個運動神經元亞型轉錄體的維基百科及研究資源，有助於進行運動神經元亞型多樣性的跨物種驗證，以及探索脊索動物由水域走向陸地過程中的運動行為如何轉變等議題。

本研究與美國加州大學爾灣分校（University of California, Irvine）數學系聶青教授和法國 Institut Du Fer À Moulin 的 Stephane Nedelec 教授進行跨領域合作。論文共同第一作者為本院國際研究生學程博士班廖于緗及美國加州大學爾灣分校 Suoqin Jin 博士（現為中國武漢大學副教授）。研究經費由本院、國衛院及國科會支持。

論文全文《Single-cell transcriptomic analysis reveals diversity within mammalian spinal motor neurons》：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35574-x